洪屏抽水蓄能电站机电设备选型与变更、优化分析

杨洪涛

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)



洪屏抽水蓄能电站机电设备选型与变更、优化分析

杨洪涛

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)

对洪屏抽水蓄能电站主要的机电设备选型、设计变更和优化进行了详细介绍，并对某些特点作了说明。洪屏抽水蓄能电站机电设备的设计、制造、安装质量经受了运行实践的检验，从目前的运行情况来看，电站机电设备选型、变更与优化论证较为充分、合理，总体上满足规程、规范及有关标准的要求，机电设备运行正常。

机电设备；选型；优化；洪屏抽水蓄能电站

1 工程概况

江西洪屏抽水蓄能电站为周调节纯抽水蓄能电站，分二期开发，一期装机容量1 200 MW，装设4台单机容量为300 MW的可逆式抽水蓄能机组，终期装机规模为2 400 MW。设计年平均发电量17.43亿kW·h，年平均抽水电量22.93亿kW·h。发电电动机与主变压器采用联合单元接线，500 kV GIS为双母线接线，以一回500 kV输电线路接入江西500 kV梦山变电站，并预留2个出线间隔。

电站于2012年2月1日主体工程开工，2016年1月21日电站500 kV系统倒受电，3月26日1号机组首次水泵工况启动，4月30日1号机组一次水泵抽水成功，6月底完成15天试运行，2、3、4号机组计划分别于2016年8月、10月、12月投入商业运行。

2 电站主要参数

2.1 水力特性参数

洪屏抽水蓄能电站上水库正常蓄水位733 m，死水位716 m，正常蓄水位库容2 572万 m3，调节库容2 031万 m3；下水库正常蓄水位181.00 m，死水位163.00 m，正常蓄水位库容5 269万 m3，调节容3 479万 m3。

引水系统采用一洞两机的布置方式，引水系统长1 369.50 ～1 400.60 m，由上库进/出水口、引水上平洞、调压井、引水上竖井、引水中平洞、引水下竖井、引水岔管和支洞等组成，钢衬长度918.9～887.8 m，引水隧洞洞径分别为6.0、5.2、4.8、4.4 m，支洞洞径3.0 m。

尾水系统采用两机一洞布置方式，尾水系统长1 227.8～1 277.3 m，由尾水支洞、尾水闸门洞、尾水岔管、尾水隧洞、调压井、下库进/出水口组成，尾水管(支洞)洞径4.4 m，尾水隧洞洞径6.5 m。

2.2 水泵水轮机参数

水泵水轮机为立轴单级混流可逆式，水轮机容量为306 MW，水泵最大入力309 MW，额定水头540 m，额定发电流量63.85 m3/s，额定转速500 r/min，稳态飞逸转速不大于615 r/min，暂态飞逸转速不大于694.5 r/min，转轮中心最小淹没深度-70 m。

2.3 电动发电机参数

电动发电机型式立轴、三相、空冷、伞式可逆式同步电动发电机，发电工况额定容量300 MW，电动工况额定容量325 MW，发电电动机额定电压18 kV，额定功率因数(发电/电动工况) 0.9(滞后)/0.975(超前)，机组转动惯量GD2为3 800 t·m2。

3 电站主要机电设备选型

机电设备是抽水蓄能电站的重要组成部分，设备选型好坏直接关系到电站安全稳定运行。洪屏电站机电设备选型按无人值班(少人值守)和资产全寿命周期管理原则推行，强化机电设备全过程管控理念，充分借鉴已投运蓄能电站机电设备运维经验，提升电站机电设备水平。电站主要机电设备均通过国内公开招标方式确定供货和制造厂家。

3.1 机组及其附属设备

电站机组及其附属设备由上海福伊特水电设备有限公司(以下简称“福伊特”)供货，供货范围包括主机、球阀、调速器、励磁系统、计算机监控系统、继电保护、发电机电压设备、静止变频起动装置、公用油水气系统等。其中主机设备、球阀由福伊特生产；励磁系统、计算机监控系统、发变组保护、静止变频起动装置分包给南京南瑞集团公司；油、水、气系统设备分包给浙江华东机电工程有限公司。

3.1.1 水泵水轮机

水泵水轮机采用上拆方式。转轮为不锈钢铸焊结构，转轮直径高、低压侧分别为3 850 mm/1 935 mm。叶片、上冠、下环均采用ASTM A743 CA6NM铸造后精加工而成。泄水锥在工厂直接焊接到转轮上冠上。水导轴承采用稀油润滑的巴氏合金瓦衬的自润滑轴承，采用外加泵外循环冷却方式。主轴密封设置在导轴承下方主轴穿过顶盖的部位，分为工作密封和检修密封。蜗壳采用B610CF高强度钢板制作，座环上、下环板材质为ASTMA216WCC，固定导叶和鼻端导叶材质为S550Q，座环与蜗壳在工厂内焊接为一整体，外加2个凑合段在工地焊接组装。

3.1.2 电动发电机

发电电动机为立轴、悬式结构，主轴采用一根轴结构，转子上、下部各设一个导轴承。定子机座为由6个轴向布置的立筋与8层环板组构成的浮动式结构。定子铁心采用厚0.5 mm、型号为M230- 50A优质冷轧薄硅钢冲片。定子绕组为整数槽双层叠绕组，4支路并联，“Y”形连接，采用Micalastic多绝缘系统，360°- Roebel换位，绝缘等级为F级。转子采用穿心轴结构，转子支架以焊接的方式与主轴焊成一体，转子中心体材料为A668M GrD，磁轭冲片材料为高强度钢板S700MC。上导轴承及推力轴承分开设置，均位于上机架中心体内，下导轴承位于下机架中心体内。导轴承为油浸式、自润滑、分块瓦可调式结构。推力轴承采用弹性橡胶垫支撑结构，推力轴瓦共12块，推力瓦采用钨金瓦。推力轴承采用外加泵外循环冷却方式。

3.1.3 进水球阀

进水球阀为横轴双面密封、双接力器球阀，公称直径2 100 mm，设计压力为887 m。阀体采用高强度铸钢，活门采用铸钢整铸。进水球阀上游侧设一道检修密封，下游侧设一道工作密封。不设旁通管路和旁通阀，蜗壳平压通过开启“T”形工作密封，利用活动密封和固定密封间隙进行充水平压。球阀额定工作油压6.3 MPa，液压系统配置有得电关闭和失电关闭紧急电磁阀等。

3.1.4 发电电压设备

离相封闭母线由镇江华东电力设备制造厂生产，型式为全连、自冷、离相式，主回路额定工作电压18 kV，额定电流12 000 A。发电机出口断路器为ABB公司HECPS- 3S型，包括发电机断路器、SFC启动隔离开关及背靠背启动隔离开关、接地开关、电容器等。换相开关采用瑞士ABB公司HECPS3空气绝缘、电动操作、三相五极产品。发电电动机中性点采用电阻接地方式，主要设备有隔离开关、电流互感器和接地变压器及连接于二次侧的接地电阻器(可调)。

3.1.5 静止变频起动装置

静止变频起动装置为瑞士ABB公司制造，采用了AC 800PEC控制系统。包括输入/输出变压器、输入/输出电抗器、输入/输出开关柜、起动母线、起动母线分段隔离开关、变频装置、冷却系统、控制、保护和监测系统等。SFC桥臂数/可控硅方式为12/4+1，额定容量为19 MW，输出电压0～19.8 kV，输出频率0～52.5 Hz，启动时间240 s。

3.1.6 控制保护设备

(1)计算机监控系统。计算机监控系统是南京南瑞公司生产，采用基于UNIX操作系统跨平台的全分布开放系统结构、NC2000监控系统软件。由电站控制级和单元控制级等设备组成。电站控制级采用高度冗余设计，为双主计算机互为热备用方案；单元控制级设有10个现地控制单元及有关远程I/O设备；局域网络采用100 Mb/s交换式冗余以太网络和TCP/IP网络协议。

(2)调速器系统。调速器系统是由德国福伊特公司生产，采用PID调节的数字式电液调速器，主配压阀直径为50 mm，电液转换器为比例阀，采用一段关闭规律，液压控制配有事故配压阀、开停机电磁阀、手/自动切换阀、紧急停机电磁、得电关闭电磁阀和失电关闭电磁阀，额定工作油压6.3 MPa。调速器的速度测量采用齿盘测速和残压测速，配置机械过速开关(飞摆)，机械二级过速动作后通过油路直接作用于关闭球阀。

(3)励磁系统。励磁系统由国电南瑞生产，采用自并励可控硅静止整流励磁方式，励磁调节器型号为NES6100。励磁变变压器接在主变压器低压侧，额定容量为3×610 kV·A，广东顺特电气设备有限公司制造。励磁变低压侧开关配置在励磁变旁，开关型号为ABB E3H- 2500。灭磁开关为法国Lenoir CEX06- 3200 4.2。额定励磁电190 V，额定励磁电流2 346 A；空载励磁电压91V，空载励磁电流1 305A。

(4)继电保护。发电电动机、主变压器、500 kV短引线、高压厂变、SFC输入变保护系统及机组保护故障录波系统由南瑞继保供货。其中，发电电动机、主变压器、高压厂变、SFC输入变选用RCS- 985系列微机保护装置。短引线选用PCS- 915系列母线保护装置。故障录波器选用PCS- 986系列故障录播与分析装置。

3.1.7 油、气、水系统

(1)油系统。电站油系统分为透平油系统和绝缘油系统。透平油系统的主要用油设备为机组各轴承、调速系统用油及球阀油压装置用油。透平油的牌号为L- TSA 46 号透平油。电站绝缘油系统不设置单独的绝缘油库，仅设置必要的绝缘油处理设备，在现地向主变充油及真空注油。绝缘油的牌号为NYNAS10GBX。

(2)压缩空气系统。电站压缩空气系统分为中压压缩空气系统和低压压缩空气系统。其中中压压缩空气系统包括工作压力为8.0 MPa的水泵工况启动和调相压水用气、调速器油压装置用气、球阀油压装置用气和经减压至工作压力为1.6 MPa的主轴检修密封、清污吹扫用气；低压气系统工作压力为0.8 MPa，包括机组制动、检修吹扫用气等。中低压空压机均选用英国Gardner Denver公司产品，其中中压空压机4台，型号V660M-WN，排气量8 m3/min，水冷，3主1备。

(3)技术供水系统。机组技术供水系统采用单元供水方式，每台机组从尾水管取水经水泵加压供水至用户，然后排回至尾水支管，取、排水口间距约79 m。每台机组设两套独立的全自动滤水器、水泵、泵控阀，两套互为备用。全厂设有1根DN400技术供水联络总管，可实现4台机组技术供水的互为备用。水泵选用上海凯士比泵有限公司产品，卧式双吸离心泵，额定流量约1 260 m3/h，扬程46 m；滤水器选用天津水利电力机电研究所产品，型号为FZLQ-A- 350，过滤精度0.5 mm，流量1 300 m3/h。

(4)排水系统。机组检修排水系统采用间接排水方式。每台机组尾水管底部设有一根DN400的排水支管，支管上设置设有一个DN400手/电动球阀，引至DN450全厂检修排水总管。检修时将尾水管中积水经检修排水泵排至DN450排水总管，总管埋设经1号尾水隧洞、尾水调压井后排至尾调通气洞自流至下库。排水泵选用上海凯泉泵业(集团)有限公司产品，型式为多级节段卧式离心泵，主排水泵2台，单台流量280 m3/h，扬程129 m；辅助排水泵2台，单台流量85 m3/h，扬程135 m。

3.2 升压变电设备

3.2.1 主变压器

电站共设有4台型号为SSP- 360000/500的三相双圈强油循环水冷、高压侧带无励磁分接开关的铜绕组升/降压电力变压器，由特变电工衡阳变压器有限公司生产。额定电压525kV±2×2.5%/18kV。主变压器低压侧经油/空气套管与18kV离相封闭母线相连，高压侧通过油/SF6套管与GIS相连。主变压器中性点采用油/空气套管引出直接接地。4台冷却器紧靠每台主变压器的高压侧(C相)布置，由保定多田冷却设备有限公司制造，油流量为120 m3/h，冷却水流量为36 m3/h。

3.2.2 500 kV 气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)

550kV GIS分为地面与地下两部分，地面户内GIS采用双母线，包括2串进线间隔、1串出线间隔、2串母线PT间隔及SF6管线等。地下GIS采用2组联合单元接线，每组联合单元包括2串隔离开关及CT间隔、1串避雷器间隔及SF6管线。GIS为上海西门子公司生产，型号为8DQ1，额定电流4 000 A，额定短时耐受电流63 kA/2s。

3.2.3 500 kV电缆及附件

500 kV电缆生产厂家为河北新宝丰电线电缆有限公司，电缆终端为江苏安靠智能输电工程科技股份有限公司。2个回路总长约6 000 m，单相长约1 000 m。与地下GIS相连的电缆终端采用外置干式水平电缆终端，与地面户内GIS相连的电缆终端采用外置干式垂直电缆终端。500 kV高压电缆选用XLPE- 800 mm2、单相、铜芯、交联聚乙烯挤包绝缘电缆，采用5分割结构组合导体，额定电流1 108 A，导体短时耐受电流63 kA/2s。

3.3 其他机电设备

3.3.1 厂用电系统

电站设2台6 300 kV·A高压厂用变压器，生产厂家为许继变压器有限公司，分别从1、4号主变压器低压侧的厂用分支母线经限流电抗器各引接一回，并从电站35 kV施工变电所(永临结合)经8 000 kV·A变压器降压至10 kV后作为厂用电备用电源。同时增设一台柴油发电机组，作为保安负荷的电源，柴油发电机组为科泰电源(上海)设备有限公司生产，额定电压400 V，额定功率1 224 kW。

电站10 kV母线共分3段，正常运行时，Ⅰ、Ⅱ段母线单独运行。当Ⅰ段母线(或Ⅱ段母线)失电时，Ⅲ段母线上相应的母联开关自动投入；工作母线(I、II段母线)相互之间为第二备用。当10 kVⅠ、Ⅱ段和外来备用电源全部失电时，柴油发电机启动，提供事故保安电源。10 kV配电变压器均由天津特变电工变压器有限公司生产。

3.3.2 直流电源系统

电站直流电源系统采用220 V电压等级，主要供电负荷为机组励磁系统的直流起励、机组高压油泵的直流电动机、控制保护、开关设备控制等。事故照明电源由逆变电源提供。电站共设5套DC220 V直流电源系统(地下厂房、开关站、上库进出水口、下库进出水口、下库大坝各设置1套)、2套地下厂房电力用逆变电源系统、1套地下厂房电力用交流不间断电源、2套地面500 kV开关站电力用交流不间断电源系统，其中直流系统由深圳奥特迅电力设备股份有限公司供货，逆变电源系统由江苏吾能供货，UPS由杭州奥能电源设备股份有限公司供货。

蓄电池采用江苏理士密封免维护阀控式铅酸蓄电池。地下厂房每组蓄电池容量为1 200 A·h；开关站每组蓄电池容量为300 A·h；上库、下库进出水口及下库大坝每组蓄电池容量为100 A·h。

4 主要机电设备变更优化分析

由于在机电设备设计、采购、制造、安装等阶段受各种限制条件较多，为了保障机电设备正常安装和投运后设备的安全可靠，在机电设备合同执行阶段发生变更和优化是不可避免的。下面重点分析几项较大的设备变更和优化。

4.1 主要机电设备变更

4.1.1 定子基础埋件变更

洪屏电站定子基础设计特点是：减小基础板的高度和提高结构刚度使得定子的切向力传递到混凝土上，使其受力均匀并减小弯矩，定子基础板上设有4个锚杆，用于承受定子机座切向力产生的翻转力矩，并取消了预紧螺栓。基本原理是定子基础板钢结构通过下面的5个筋板传递给二期混凝土，然后二期混凝土通过一期混凝土的锚筋及两期混凝土之间的摩擦力和粘接力传递给再传递到下部和侧面的一期混凝土。电站定子基础预埋件设计如图1所示。

图1 洪屏定子基础预埋件示意(单位：mm)

由于机电设计与土建设计沟通、理解不到位，电站定子基础的实际情况是：未在二期混凝土埋设锚筋，且未对侧面210 mm高凸台一期混凝土提出承担相应的切向力要求。福伊特针对实际情况，经过对基础板、一期和二期混凝土进行详细的有限元分析和计算，基础板底部二期混凝土和一期侧面凸台的应力在发电机最大故障扭矩工况(发电机两相短路和非同期合闸)时不满足强度要求，存在定子基础移动风险，需对定子基础进行加固改造。

经计算分析，在定子基础板外侧焊接85 mm厚钢板，同时将7个8.8级的喜利得螺栓植入一期混凝土，用该螺栓预紧定子基础加强板；在一期混凝土凸台两侧植入4个8.8级喜利得螺栓，用该螺栓把紧一块75 mm厚钢板，且该钢板内径侧通过钢结构连接到下机架基础板上(见图2)。

图2 改进后的定子基础埋件三维效果

4.1.2 发电机主引出线与离相封闭母线(IPB)连接方式变更

招标设计阶段，IPB伸入风罩外壁约200 mm，IPB直接穿过发电机风洞混凝土，可拆卸式连接头在风洞混凝土围墙以内(见图3)。施工阶段，由于风洞混凝土结构设计对在封闭母线处开孔的限制，不能满足封闭母线伸入风洞内连接的要求，导致发电机主引出线和封闭母线的连接只能在风洞外壁处，因此每台机增加了一组软连接和连接铜排以及风洞孔内壁的屏蔽。

图3 IPB与发电机主引出线连接示意

4.2 机电设备选型优化

(1)励磁灭磁开关优化。灭磁开关是励磁系统中的主要关键部件之一，也是发电机组内部故障的主要保护动作装置。根据主机合同，福伊特原选用的德国GE Rapid4207或瑞士UR36/82S磁场断路器，两种产品均为单断口、单触头，且在国内抽水蓄能电站应用较少。为确保机组安全和后期机组检修维护方便，优化为在抽水蓄能电站广泛应用且评价较高的法国Lenoir CEX 06 3200A 4.2产品，该产品具有双断口、弧触头、主触头和辅助触头等优点。

(2)机械过速保护装置优化。过速保护是抽水蓄能机组水机保护的一个重要组成部分，可以有效防止机组出现飞逸时对机组造成的重大损害。可靠有效的机组过速保护对保证机组安全，避免重大事故发生具有十分重要的意义。在主机设备合同中，福伊特选用的是本厂过速保护装置，考虑该装置没有在国内抽水蓄能电站应用业绩，后参考国内其他抽水蓄能电站应用成熟产品，将机械过速装置优化为瑞典原装图拉博产品。

(3)机组振动摆度保护优化。振动是影响机组安全、可靠、稳定运行的最重要因素之一。过大的振动会导致材料的疲劳损坏，缩短设备的使用寿命，甚至可能引发严重的机组毁坏事故。电站机组状态监测系统由福伊特分包给北京华科同安，考虑国产振动摆度保护功能不够完善，后在实施阶段每台机组增加配置1 套美国本特利3 500机组振摆保护装置，其输出直接作用报警和机械跳机，原机组状态监测系统仅用于数据采集与分析。

(4)导轴承测温电阻优化。导轴承温度是反映机组设计、安装、运行是否良好的重要指标，由于受其安装和运行条件限制，较易在机组运行过程中受损或误发报警、跳机信号，严重影响机组运行安全。较多已投运的蓄能电站由于初期测温电阻选型不合理，在投产后利用机组检修机会对导轴承测温电阻进行了改造。洪屏抽水蓄能电站导轴承测温电阻在主机合同中原选用的是德国EPHY MESS产品，无国内蓄能电站运行业绩，后参考国内其他抽水蓄能电站改造经验，选用了性价比较高的深圳泰士特公司测温电阻。

5 结 语

目前洪屏抽水蓄能电站500 kV系统已受电，1号机组已投产。机电设备的设计、制造、安装质量已受到了运行实践的检验。从目前的运行情况来看，电站机电设备选型、变更与优化论证较为充分、合理，总体上满足规程、规范及有关标准的要求，机电设备运行正常。

[1]中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司. 江西洪屏抽水蓄能电站工程机组启动验收及初期运行设计报告[R]. 杭州： 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司， 2016．

[2]上海福伊特水电设备有限公司. 洪屏发电电动机定子基础预埋件设计变更报告[R]. 上海： 上海福伊特水电设备有限公司， 2016．

[3]江西洪屏抽水蓄能有限公司. 江西洪屏抽水蓄能电站机组及其附属设备采购合同[R]. 南昌： 江西洪屏抽水蓄能有限公司， 2012．

[4]王君亮. 同步发电机励磁系统原理与运行维护[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2010．

[5]GB/T 18482—2010 可逆式抽水蓄能机组启动试运行规程[S]．

[6]国家电网公司Q/GDW 4172008 新建抽水蓄能电站(机组)投运导则[S]．

(责任编辑 高 瑜)

Analysis on Electromechanical Equipment Type Selection and Design Optimization of Hongping Pumped-storage Power Station

YANG Hongtao

(Jiangxi Hongping Pumped Storage Co., Ltd., Jing’an 330603, Jiangxi, China)

The type selection, design changes and design optimizations of main electromechanical equipments for Hongping Pumped-storage Power Station are introduced in detail and the main characteristics are described. The design, manufacture and installation quality of electromechanical equipments have been tested by actual operation. Current operation of station shows that the type selection, design changes and optimizations of electromechanical equipments are fully and reasonably argued, which meet the requirements of regulations, specifications and related standards in general．

electromechanical equipment; type selection; optimization; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 15

杨洪涛(1968—)，男，湖北天门人，教授级高工，主要从事抽水蓄能电站建设管理工作．

TV743(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0069- 05